非線性光(guang)(guang)學主要是(shi)研(yan)究強(qiang)光(guang)(guang)和(he)弱光(guang)(guang)與物(wu)質之(zhi)間相互影響，從而產生一些新奇(qi)的物(wu)理效應(ying)的學科。

非(fei)(fei)線性光(guang)學打破常規線性物理現象(xiang)，使用強光(guang)與物質(zhi)(zhi)相(xiang)互作用從(cong)而(er)改變物質(zhi)(zhi)本身(shen)的光(guang)學特性。而(er)產生三階非(fei)(fei)線性極化效應的介(jie)質(zhi)(zhi)，既可(ke)以是各(ge)向異性的晶(jing)體介(jie)質(zhi)(zhi)，也可(ke)以是各(ge)向同性的介(jie)質(zhi)(zhi)，具有普遍性。

近年來，隨著科(ke)技的(de)不斷進步光(guang)(guang)學領(ling)域迅(xun)速發展，微(wei)納結構(gou)增強薄膜三階光(guang)(guang)學非(fei)線(xian)性(xing)成為當下研(yan)(yan)究(jiu)的(de)熱點問題。三階非(fei)線(xian)性(xing)光(guang)(guang)學材(cai)(cai)料具有大的(de)應(ying)用(yong)(yong)(yong)前景(jing)，讓其研(yan)(yan)究(jiu)熱度一(yi)直(zhi)居高不下。更(geng)重要(yao)的(de)是非(fei)線(xian)性(xing)光(guang)(guang)學的(de)出現不僅重新(xin)定(ding)義了人們對新(xin)材(cai)(cai)料和結構(gou)研(yan)(yan)究(jiu)方法(fa)以及(ji)應(ying)用(yong)(yong)(yong)的(de)認知，還(huan)激發了應(ying)用(yong)(yong)(yong)領(ling)域井噴式的(de)創(chuang)新(xin)發展。

光入射進入介質引發(fa)非線性(xing)吸(xi)收(shou)時(shi)，其吸(xi)收(shou)由線性(xing)和非線性(xing)兩部分組成，線性(xing)吸(xi)收(shou)不隨光強(qiang)(qiang)變(bian)化產生影(ying)響，非線性(xing)吸(xi)收(shou)在材料的(de)損傷閾值內隨光強(qiang)(qiang)的(de)變(bian)化而發(fa)生改變(bian)。

光與(yu)介質之間(jian)相(xiang)互作用我們主要針(zhen)對三階非線(xian)性(xing)吸(xi)(xi)收(shou)(shou)(shou)進行分析其主要包括(kuo)飽(bao)和(he)吸(xi)(xi)收(shou)(shou)(shou)、反向(xiang)飽(bao)和(he)吸(xi)(xi)收(shou)(shou)(shou)、雙光子吸(xi)(xi)收(shou)(shou)(shou)、自(zi)由(you)載流子吸(xi)(xi)收(shou)(shou)(shou)等(deng)。

飽和吸收：

當強光(guang)入射進入介質(zhi)(zhi)，入射光(guang)強增大到一(yi)定范圍介質(zhi)(zhi)對入射光(guang)的吸收逐漸(jian)飽和。

入射(she)光繼續(xu)增強(qiang)，介質對入射(she)光不再吸(xi)收，大(da)于飽和(he)值(zhi)的光則透過介質。電子弛豫時長大(da)于光子對材料的激發速率進而(er)引(yin)發了材料的飽和(he)吸(xi)收。

入射光強的不(bu)斷增大(da)使得介質中的電(dian)(dian)子從基(ji)逐(zhu)漸向(xiang)激發(fa)(fa)態(tai)轉移，當基(ji)態(tai)的電(dian)(dian)子全部被激發(fa)(fa)到激發(fa)(fa)態(tai)。

重新弛豫時(shi)間不足電(dian)子(zi)無法(fa)回到(dao)基態(tai)(tai) ，光(guang)強增大到(dao)一定范圍基態(tai)(tai)電(dian)子(zi)全部(bu)到(dao)達(da)激發態(tai)(tai)出現了(le)基態(tai)(tai)漂白。

這時(shi)基態沒(mei)有電子(zi)(zi)需要弛豫通常會出現單光子(zi)(zi)吸收，而單光子(zi)(zi)吸收又分為(wei)兩大(da)類(lei)型其中包(bao)括直接躍遷(qian)(qian)和間接躍遷(qian)(qian)兩種。直接躍遷(qian)(qian)類(lei)型指的(de)是(shi)電子(zi)(zi)直接從下能(neng)級的(de)導帶(dai)被激(ji)發至(zhi)上能(neng)級的(de)價(jia)帶(dai)。

直(zhi)接躍(yue)遷(qian)(qian)的(de)(de)出現主要源于材料的(de)(de)兩(liang)個能帶直(zhi)接在 K-K 空間對稱，即使(shi)不(bu)存在橫(heng)向(xiang)的(de)(de)動(dong)量守(shou)恒(heng)也能進(jin)行直(zhi)接躍(yue)遷(qian)(qian)。間接躍(yue)遷(qian)(qian)指的(de)(de)是(shi)能級(ji)之間不(bu)能直(zhi)接進(jin)行躍(yue)遷(qian)(qian)，在不(bu)滿足橫(heng)向(xiang)動(dong)量守(shou)恒(heng)的(de)(de)情況下，下能級(ji)的(de)(de)導帶與上能級(ji)的(de)(de)價帶能帶的(de)(de) K 值不(bu)同(tong)，動(dong)量守(shou)恒(heng)是(shi)其(qi)躍(yue)遷(qian)(qian)的(de)(de)必要條件。

實現動量守恒必須通過吸收來進行間接躍遷。飽和吸收的類型多樣可控(kong)性好在(zai)眾多良好的非線性材(cai)料(liao)中(zhong)都(dou)存在(zai)，在(zai)激光(guang)器(qi)激光(guang)諧振(zhen)腔器(qi)件(jian)和吸收保護薄膜材(cai)料(liao)領(ling)域的應用上(shang)十分(fen)廣泛。

反飽和吸收：

當強光(guang)(guang)入(ru)射進入(ru)介質(zhi)，入(ru)射光(guang)(guang)強增大到一定范圍介質(zhi)對入(ru)射光(guang)(guang)的(de)吸收(shou)(shou)逐漸飽和(he)，入(ru)射光(guang)(guang)繼續(xu)增強，介質(zhi)對入(ru)射光(guang)(guang)吸收(shou)(shou)突破(po)材料飽和(he)吸收(shou)(shou)閾值極限繼續(xu)對入(ru)射光(guang)(guang)進行吸收(shou)(shou)的(de)現象被稱(cheng)為(wei)反飽和(he)吸收(shou)(shou)現象。

材料具有(you)反飽和(he)吸收(shou)性質(zhi)當入射光強(qiang)不斷(duan)增大(da)時，介質(zhi)本(ben)身的(de)基態(tai)和(he)激發態(tai)具有(you)的(de)吸收(shou)激發態(tai)大(da)于(yu)基態(tai)，其激發態(tai)吸收(shou)截(jie)面也大(da)于(yu)基態(tai)，進而激發態(tai)的(de)吸收(shou)變(bian)大(da)來源于(yu)很(hen)多的(de)電子泵浦。

如果入射(she)光(guang)強(qiang)較(jiao)弱(ruo)，材(cai)(cai)料(liao)在線(xian)性(xing)(xing)(xing)領域不(bu)會激發非線(xian)性(xing)(xing)(xing)吸(xi)收(shou)，這樣能使材(cai)(cai)料(liao)具(ju)有較(jiao)高(gao)的(de)線(xian)性(xing)(xing)(xing)透(tou)過率，當入射(she)光(guang)強(qiang)增大材(cai)(cai)料(liao)激發非線(xian)性(xing)(xing)(xing)吸(xi)收(shou)，材(cai)(cai)料(liao)對入射(she)光(guang)進行吸(xi)收(shou)攔截，利用這種性(xing)(xing)(xing)質我們可以制(zhi)作光(guang)限幅(fu)材(cai)(cai)料(liao)和全(quan)光(guang)開(kai)關。

雙光子吸收：

強光(guang)入射樣品對入射光(guang)在從低能級到高能級的過程中(zhong)產生的吸(xi)收，一(yi)個光(guang)子不足(zu)以(yi)使其躍遷進而對入射光(guang)繼(ji)續吸(xi)收一(yi)個光(guang)子的非線性吸(xi)收類型被(bei)稱為雙光(guang)子吸(xi)收。

雙光子(zi)吸收效應的(de)(de)(de)產生既可以(yi)是(shi)單光束(shu)入(ru)射也可以(yi)是(shi)雙光束(shu)入(ru)射，入(ru)射光源一般為(wei)脈(mo)沖激光，介(jie)質(zhi)中電子(zi)能級間(jian)的(de)(de)(de)躍遷(qian)所要吸收的(de)(de)(de)能量大小(xiao)為(wei)光子(zi)能量大小(xiao)的(de)(de)(de)兩倍(bei)。被激發的(de)(de)(de)介(jie)質(zhi)因為(wei)強光入(ru)射對(dui)單光束(shu)的(de)(de)(de)一對(dui)光子(zi)進行吸收。

當雙光束(shu)入射(she)(she)通過(guo)介(jie)質(zhi)時(shi)(shi)，兩(liang)個入射(she)(she)光束(shu)的(de)頻率之和圖片與被照射(she)(she)樣(yang)品之中的(de)電(dian)子(zi)躍遷所需要(yao)的(de)頻率相同，那(nei)么被照射(she)(she)的(de)介(jie)質(zhi)會同時(shi)(shi)對(dui)兩(liang)束(shu)入射(she)(she)光的(de)光子(zi)進(jin)行(xing)雙光子(zi)吸收，通過(guo)樣(yang)品的(de)光束(shu)進(jin)行(xing)監測會發現兩(liang)束(shu)入射(she)(she)光同時(shi)(shi)衰(shuai)減。

雙光子(zi)吸收(shou)的物(wu)理(li)模型可(ke)以理(li)解為介(jie)質中電子(zi)進行能級躍(yue)遷因為無(wu)法(fa)一次性吸收(shou)一個(ge)(ge)(ge)光子(zi)進行躍(yue)遷因此(ci)需要(yao)進一步吸收(shou)光子(zi)，當吸收(shou)一個(ge)(ge)(ge)光子(zi)時電子(zi)躍(yue)遷到處于低能級和高能級之間的虛擬態(tai)，吸收(shou)第二個(ge)(ge)(ge)光子(zi)整個(ge)(ge)(ge)躍(yue)遷過程完(wan)成(cheng)電子(zi)到達高能級。

雙光(guang)(guang)子吸(xi)收(shou)(shou)屬(shu)于(yu)典型(xing)的(de)瞬態吸(xi)收(shou)(shou)，當吸(xi)收(shou)(shou)雙光(guang)(guang)子也不能完成能級(ji)躍(yue)遷時介質可以吸(xi)收(shou)(shou)更多(duo)的(de)光(guang)(guang)子進(jin)行能級(ji)躍(yue)遷被稱為多(duo)光(guang)(guang)子吸(xi)收(shou)(shou)。擁有雙光(guang)(guang)子吸(xi)收(shou)(shou)特性的(de)材料對光(guang)(guang)限(xian)幅、信息儲存(cun)等多(duo)方(fang)面都有很廣(guang)泛的(de)應用。

自由載流子吸收：

自由載流(liu)子吸收(shou)的出現(xian)會伴隨著多(duo)光子吸收(shou)，屬(shu)于(yu)非線性瞬態吸收(shou)。

當入射光刺激介質產生雙光子吸(xi)收，電子吸(xi)收能(neng)量躍遷到導(dao)帶后進入更(geng)高的能(neng)級電子因為(wei)自身(shen)吸(xi)收能(neng)量過多掙(zheng)脫束縛(fu)成為(wei)自由載流(liu)子，自由載流(liu)子吸(xi)收通常容易在(zai)半導(dao)體非線(xian)性介質中(zhong)被觀測到。

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